【北京迅为】《STM32MP157开发板使用手册》- 第二十五章Cortex-M4 GPIO

iTOP-STM32MP157开发板采用ST推出的双核cortex-A7+单核cortex-M4异构处理器，既可用Linux、又可以用于STM32单片机开发。开发板采用核心板+底板结构，主频650M、1G内存、8G存储，核心板采用工业级板对板连接器，高可靠，牢固耐用，可满足高速信号环境下使用。共240PIN，CPU功能全部引出:底板扩展接口丰富底板板载4G接口(选配)、千兆以太网、WIFI蓝牙模块HDMI、CAN、RS485、LVDS接口、温湿度传感器(选配)光环境传感器、六轴传感器、2路USB OTG、3路串口，CAMERA接口、ADC电位器、SPDIF、SDIO接口等

第二十五章Cortex-M4 GPIO_LED实验

本章节最终所完成的实验例程存放路径为“iTOP-STM32MP157开发板网盘资料汇总\06_Cortex-M4实验例程\01_LED.zip”。

25.1什么是GPIO

GPIO(general porpose intput output):通用输入输出端口的简称。可以通过软件控制其输出和输入。芯片的GPIO引脚与外部设备连接起来，从而实现与外部通信，控制以及数据采集的功能设备。

STM32MP157 的 GPIO 有 GPIOA 至 GPIOK 和 GPIOZ 共 12 组 GPIO，其中 GPIOA~GPIOK每组有 16 个 IO，而 GPIOZ 有 8 个 IO。所有的 GPIO 均带有中断功能，所有的 GPIO 都可以被Cortex-M4 和 Cortex-A7 共享访问，而 GPIOZ 可用于 TrustZone 安全性相关的设置（当用于此项时仅限于 Cortex-A7 访问），相关的外围设备的软件访问被定义为安全性访问，常用于安全解决方案中。这里，STM32MP157 共 16*5+8=176+8=184 个 IO，而我们的开发板总共引出了144个引脚。

25.2 实验目的

1）GPIO的工作模式的初步认识

2）STM32CubeIDE工具软件的使用与熟悉

3）GPIO口使用方法的学习

25.3 GPIO的工作模式

STM32MP157的GPIO可以通过软件的配置设置成以下八种工作模式：

1.GPIO浮空输入_IN_FLOATING模式

2.GPIO带上拉输入_IPU 模式

3.GPIO带下拉输入_IPD 模式

4.GPIO模拟输入_AIN 模式

5.GPIO开漏输出_OUT_OD 模式

6.GPIO推挽输出_OUT_PP模式

7.GPIO开漏复用输出_AF_OD模式

8.GPIO推挽复用输出_AF_PP模式

下面对这八种工作模式进行简单的分析：

浮空输入模式

当GPIO采用浮空输入模式时，STM32的引脚状态是不确定的，此时STM32得到的电平状态完全取决于GPIO外部的电平状态，所以说在GPIO外部的引脚悬空时，读取该端口的电平状态是个不确定的值。

上拉、下拉输入模式

由于浮空模式时，在GPIO外部连接的电路未工作时，STM32读取的GPIO状态是不确定的，所以可以通过带上拉或者下拉输入的模式先给MCU一个确定的状态，当外部电路电平状态发生变化时，易于MCU的判断。这样可以增强MCU的抗干扰能力

模拟输入模式

最常用的场合是ADC模拟输入，不像其他输入模式只有0和1，模拟输入模式可以读取到很细微变化的值。

推挽输出模式

推挽结构一般是指两个三极管分别受两个互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。这种结构既可以输出高电平,也可以输出低电平，可以用于连接数字器件。

推挽电路是两个参数相同的三极管或MOSFET，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小，效率高。输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。

开漏输出模式

一般开漏输出模式时，如果外部不接上拉电阻时，只能输出低电平，所以要想输出高电平必须要外接上拉电阻。这样做的有一个好处，可以用来匹配不同的电平信号，也就是用于不同电压的系统之间的通信;另外，因为要输出高电平需要有外部的上拉电阻，所以在进行通信时，通信的速度也受到上拉电阻阻值的影响，阻值小时，通信速度可以很快，阻值大时，通信速度变慢，但也不能为了通信速度把上拉电阻用的很小，也要注意在电阻很小时，功耗会变大，所以要平衡好这个度。

复用推挽，开漏输出模式

这两种模式，可以理解为把GPIO配置为第二功能使用的时候的配置，并非单纯的用作IO输入或输出。

比如使用外设IIC时，我们需要把GPIO配置为复用推挽输出，用于数据通信功能。再比如串口通信的TX，以及SPI外设的GPIO使用就要把引脚设置为复用开漏输出。

25.4 LED电路的分析

我们的LED电路的原理图如下：

可以看到LED发光二极管由Q1和Q2两个L9014的NPN三极管控制通断，当三极管导通时LED发光二极管也会导通，当三极管截止时LED发光二极管也会截止，所以我们只需要通过控制两个GPIO引脚输出的高低电平来控制三极管的通断，进而控制LED发光二极管的亮灭。

以下为两个LED对应的控制引脚

LED2	LED3
PE14	PE1

25.5 实验步骤

25.5.1建立LED工程

首先我们打开STM32CubeIDE软件，进入软件界面之后，我们点击File属性，选择NEW下的STM32 Project的选项，如下图所示：

然后我们会进入下图所示界面：在Part Number选择框输入STM32MP157A，然后在右边的选择界面选择STM32MP157AAA，然后点击Next选项

在Project Name框中输入工程名字LED，然后点击Finish选项即可，如下图所示：

等待工程创建完毕，会询问我们是否要安装OpenSTLinux ，由于我们是在windows环境下，所以我们不需要安装，点击NO即可

至此我们的工程创建完毕，进入工程界面如下图所示界面：

25.5.2 GPIO功能引脚配置

首先我们在下面的搜索框之中输入我们要配置的引脚，我们在这里以PE1为例进行搜索，输入名称之后，对应的引脚在工程中会闪烁，如下图所示：

然后我们使用鼠标左键点击对应的引脚会弹出PE1的复用功能选择，我们在这里选择复用为GPIO_Output功能，如下图所示：

配置完复用功能之后，我们还要配置 Pin Reserved 选项，如果不配置此项，在生成工程代码的时候将不会看到有关这个 Pin 的初始化代码。继续选中 PE1，右键弹出设置项，我们选择Pin ReservedàCortex-M4。如下图所示：

第二个LED的控制管脚PE14按同样的方法进行配置。

配置完成之后打开左侧菜单的 System CoreàGPIO 进入 GPIO 模式配置界面：如下图所示：

点击对应的引脚配置之后会弹出右下方的管脚配置界面，如上图所示：

在下方会列出要配置选项的具体说明和我们要进行的配置。

1）选项 GPIO output level 用来设置IO口的输出电平的高低，这这里我们选择LOW

2）选项GPIO mode 用来设置 IO 口输出模式为 Output Push Pull(推挽)还是 Output Open Drain（开漏）。本实验我们设置为推挽输出 Output Push Pull。

3）选项 GPIO Pull-up/Pull-down 用来设置 IO 口是上拉/下拉/没有上下拉。本实验我们设置为上拉（Pull-up）。

4）选项 Mzximum ouput speed 用来设置 IO 口输出速度为低速(Low)/中速(Medium)/高速 (Hign)/快速(Very High)。我们设置为高速 High 。

5）选项 User Label 是用来设置初始化的 IO 口 Pin 值为我们自定义的宏，这里我们填写为 LED3。按照如上要求设置后的界面如下（由于PE14的配置相同，只是最后的Label值不同，也在下方列了出来）：

配置完成之后我们需要在Project Manage下的Code Generator选项下勾选 Generate peripheral initialization as a pair of ".c/.h' files per peripheral 选项，这样可以独立生成对应外设的初始化.h 和.c 文件（方便配置的查看），如下图所示：

25.5.3工程的生成与完善

在上述的步骤完成之后，按下键盘的“Ctrl+S”组合键保存保存 LED.ioc 文件，系统开始生成初始化代码，工程生成之后如下图所示：

然后我们进行工程的完善，以及添加对应的逻辑代码。

25.5.3.1 对应文件与文件夹的添加

首先在左侧的工程浏览页之中通过鼠标右键在LED_CM4的Core目录下创建名字为BSP的文件，具体步骤如下图所示：

然后在BSP目录下以同样的方法创建led.c文件和Include目录，以及Include目录下的led.h文件，创建完成如下图所示：

25.5.3.2 led.h文件的完善

我们对led.h文件进行代码的添加，将以下内容复制到led.h文件之中如下图所示：

  1 #ifndef __LED_H
  2 #define __LED_H
  3 #include "gpio.h"
  4 #define LED2(x)   do{ x ? \
  5                       HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_SET) : \
  6                       HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET); \
  7                   }while(0)
  8 #define LED3(x)   do{ x ? \
  9                       HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin, GPIO_PIN_SET) : \
 10                       HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin, GPIO_PIN_RESET); \
 11                   }while(0)
 12 #define LED2_TOGGLE()    do{ HAL_GPIO_TogglePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin); }while(0)
 13 #define LED3_TOGGLE()    do{ HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin); }while(0)
 14 void led_init(void);
 15 #endif

下面我们将对该文件进行简单的讲解：

在第3行，我们引用了gpio.h文件，我们进入gpio.c文件之中，文件路径如下图所示：

在对应的位置下会看到MX_GPIO_Init()函数，很明显的可以看出该函数正是我们在3.5.2小节之中所配置的功能。

返回led.h文件之中，在4-13行便是四个宏定义，其中前两个宏定义是用来设置LED状态的，后两个宏定义是使LED状态进行反转的。具体功能是通过两个函数来实现的分别为HAL_GPIO_WritePin和HAL_GPIO_TogglePin。

在stm32mp1xx_hal_gpio.c文件之中可以找到HAL_GPIO_WritePin和HAL_GPIO_TogglePin的定义如下图所示：

 1 void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState)
  2 {
  3   /* Check the parameters */
  4   assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
  5   assert_param(IS_GPIO_PIN_ACTION(PinState));
  6 
  7   if (PinState != GPIO_PIN_RESET)
  8   {
  9     GPIOx->BSRR = GPIO_Pin;
 10   }
 11   else
 12   {
 13     GPIOx->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin << GPIO_NUMBER;
 14   }
 15 }
 16 
 17 /**
 18   * @brief  Toggles the specified GPIO pins.
 19   * @param  GPIOx: Where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral.
 20   * @param  GPIO_Pin: Specifies the pins to be toggled.
 21   * @retval None
 22   */
 23 void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
 24 {
 25   /* Check the parameters */
 26   assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));
 27 
 28   if ((GPIOx->ODR & GPIO_Pin) != 0x00u)
 29   {
 30     GPIOx->BRR = (uint32_t)GPIO_Pin;
 31   }
 32   else
 33   {
 34     GPIOx->BSRR = (uint32_t)GPIO_Pin;
 35   }
 36 }

HAL_GPIO_WritePin函数所实现的功能为设置对应的管脚的输出状态，GPIO_PIN_RESET为低电平、GPIO_PIN_SET为高电平。

HAL_GPIO_TogglePin函数所实现的功能为使对应管脚的输出状态反转（从高电平转为低电平，从低电平转为高电平）

25.5.3.3 led.c文件的完善

在led.c文件下，添加以下内容，以下内容实现的功能为定义led_init函数，调用该函数之后使LED2导通、LED3截止。

   #include "./Include/led.h"
  void led_init(void)
   {
           LED2(1);
           LED3(0);
   }

25.5.3.4 main.c文件的完善

我们要修改的main.c文件路径如下图所示：

打开main.c文件，为了规范我们在/* USER CODE BEGIN Includes */和/* USER CODE END Includes */之间添加以下内容

#include "../BSP/Include/led.h"

添加完成如下图所示：

然后在 /* USER CODE BEGIN 2 */和/* USER CODE END 2 */之间添加以下内容：

led_init();

通过调用led_init()函数来使LED2和LED3的初始状态分别为亮和灭。

然后在/* USER CODE BEGIN 3 */下添加以下逻辑代码

LED2_TOGGLE();

HAL_Delay(500);

LED3_TOGGLE();

HAL_Delay(500);

该逻辑代码所实现的功能为两个LED灯的状态进行依次反转，且每次翻转所持续的时间为500ms。

25.5.4工程的编译

在完成以上步骤之后我们点击工具栏的小锤子进行编译，编译图标如下图所示：

编译完成会在下方的终端中显示打印信息，如下图所示：

如果报错，需要自己根据错误的提示信息来进行问题的寻找和改正。

25.5.5工程的调试

由于STM32MP157的裸机部分和一般的单片机有些区别，他没有内部的存储，所以只能在程序编译成功之后，通过debug的方式来进行调试（将程序放在内存之中），调试过程如下：

首先，点击菜单栏中的小甲虫Debug调试按钮，弹出以下界面，

在弹出来的界面，按步骤，选择响应的属性（该步骤为Jlink的步骤，如果是STLink，调试探头选择对应的即可）。如下图所示：

选择完成之后，点击右下角的Debug按钮，点击之后，会进行再一次的编译，编译完成之后会弹出如下内容（作者用的是J-LinK),这里弹出的是J-link关于设备的选择，不同调试器的弹窗可能会不同

在弹出来的界面中，选择Accept接受，会弹出以下内容，继续点击下方的OK。

之后会来到设备选择界面，我们选择Cortex-M4，如下图所示：

选择Cortex-M4之后，点击右下角的OK，会弹出以下界面，选择右下角Switch.

然后会弹出一个新的页面，选择菜单栏的 resume,按钮开始调试。

此时，会看到开发板上两个LED灯在交替闪烁。

如果想关闭调试，则点击菜单栏的终止按钮即可。